Выбор технологий нанесения пленок металлов методами физического осаждения

Введение. Получение качественных тонких пленок металлов важно для развития технологий нанесения антифрикционных и износостойких покрытий на режущие инструменты или детали пар трения. Используют различные способы физического осаждения пленок с применением технологий катодного (ионного), магнетронного и ионно-лучевого распыления с ассистированием. Цель работы — анализ, сопоставление и определение целесообразности методов физического осаждения тонких пленок металлов при нанесении антифрикционных и износостойких покрытий на режущие инструменты или детали пар трения.

Материалы и методы. Рассмотрены технологии катодного (ионного), магнетронного и ионно-лучевого распыления. Представлены принципиальные схемы, условия и параметры рассматриваемых процессов.

Результаты исследования. Перспективная технология нанесения тонких пленок, легирования и упрочнения поверхностей металлических деталей — магнетронное распыление. Магнетроны непрерывного действия применяют для нанесения покрытий сложного состава или многослойных покрытий на плоские подложки. Ионнолучевое распыление рассматривают как медленное распыление поверхности мишени под действием бомбардировки потоком ионов с высокой энергией и осаждение на поверхности подложки. При ионной имплантации происходит легирование поверхности металлов атомами отдачи, которые получают высокую энергию от ускоренных ионов и перемещаются вглубь на несколько нанометров. Это позволяет получать сверхтонкие легированные слои. Низкая температура ионной имплантации, возможность достаточно точного контроля глубины и профиля распределения примеси создают предпосылки автоматизации технологического процесса. Следы изнашивания сильнее окислены при одних и тех же условиях изнашивания на имплантированной стали по сравнению со сталью без имплантации. Неравновесный процесс при ионной имплантации вызывает образование таких сплавов в поверхностных слоях, которые невозможно получить в обычных условиях из-за диффузии компонентов или ограниченной растворимости. Ионная имплантация позволяет получить в поверхностном слое сплавы определенного состава. Свойства поверхности можно оптимизировать без связи с объемными свойствами материала. 

Обсуждение и заключение. У катодного (ионного), магнетронного и ионно-лучевого распыления есть общие достоинства: благодаря относительно низкой температуре подложка не перегревается; возможно получение равномерных покрытий; точно воспроизводится химический состав осаждаемых покрытий. Остальные достоинства и недостатки рассматриваемых методов индивидуальны. Результаты могут быть использованы для создания тонких пленок путем чередования процессов магнетронного, а затем ионно-лучевого напыления, что позволяет получать пленки, равномерно модифицированные по глубине. Это важно при производстве деталей пар трения и режущего инструмента для повышения их качества.

1. Петухов, В. Ю. Ионно-лучевые методы получения тонких пленок / В. Ю. Петухов, Г. Г. Гумаров. — Казань : Изд-во Казан. ун-та, 2010. — 87 с.

2. Левичев, В. В. Электронные и фотонные устройства: принцип работы, технологии изготовления / В. В. Левичев. — Санкт-Петербург : Ун-т ИТМО, 2015. — 65 с.

3. Григорьев, Ф. И. Осаждение тонких пленок из низкотемпературной плазмы и ионных пучков в технологии микроэлектроники / Ф. И. Григорьев. — Москва : Моск. гос. ин-т электроники и математики, 2006. — 35 с.

4. Белый, А. В. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А. В. Белый, Г. Д. Карпенко, Н. К. Мышкин. — Москва : Машиностроение, 1991. — 208 с.

5. Глушко, С. П. Синтез критерия качества биметаллических подшипников скольжения / С. П. Глушко, С. Г. Денисенко // Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин : тез. докл. всесоюз. науч. конф. — Волгоград : Дом науки и техники, 1990. — С. 202–204.

6. Денисенко, С. Г. Оптимизация технологии производства подшипников скольжения из биметалла сталь-бронза / С. Г. Денисенко, С. П. Глушко // Современные методы наплавки, упрочняющие покрытия и используемые материалы. IV Украинская республиканская науч.-тех. конф. : тезисы докладов. — Харьков : ХАДИ, 1990. — С. 70–71.

7. Асцилене, Д. Л. Техника магнетронного распыления тонких пленок. Газофазное осаждение тонких пленок / Д. Л. Асцилене // Современные технологии в образовании : мат-лы междунар. науч.- практ. конф. : в 2 ч. / Под ред. Б. М. Хрусталева. — Минск : Белорус. нац. тех. ун-т, 2016. — Ч. 2. — С. 17–20.

8. Белый, А. В. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А. В. Белый, Г. Д. Карпенко, Н. К. Мышкин. — Москва : Машиностроение, 1991. — 208 с.

9. Сопротивление контактному и усталостному разрушению модифицированных ионами азота хромистых сталей / П. А. Витязь, А. В. Белый, В. А. Кукаренко, Ю. П. Шаркеев // Физическая мезомеханика. — 2004. — Спец. выпуск 7, ч. 2. — С. 149–152.

10. Сверхтвердые оксидные покрытия, получаемые на титане при обработке токами высокой частоты / А. А. Фомин, М. А. Фомина, И. В. Родионов [и др.] // Письма в журнал технической физики. —2015. — Т. 41, вып. 18. — С. 89–95.

11. Григорьев, С. Н. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента / С. Н. Григорьев, М. А. Волосова. — Москва : Янус-К, 2007. — 324 с.